【摘 要】
:
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)通过电化学反应高效地将氢/氧的化学能转化为电能且仅排出水,能够有效减少使用化石燃料造成的有害废气排放问题,是兼顾安全、续航与减碳环保的乘用车动力解决方案。PEMFC虽然具有诸多优点,但其阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)动力学比阳极氢氧化反应(hydrog
【基金项目】
:
国家自然科学基金(基金号:22090030,22108020); 国家重点研发计划(2020 YFB 1506002);
论文部分内容阅读
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)通过电化学反应高效地将氢/氧的化学能转化为电能且仅排出水,能够有效减少使用化石燃料造成的有害废气排放问题,是兼顾安全、续航与减碳环保的乘用车动力解决方案。PEMFC虽然具有诸多优点,但其阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)动力学比阳极氢氧化反应(hydrogen oxidation reaction,HOR)慢数个数量级,普遍需要使用高成本的铂族金属(platinum group metals,PGM)催化剂来维持较高的ORR效率,商用化困难。因此,低成本、高活性、高稳定性的低铂/非铂ORR催化剂的开发对于PEMFC产业化的进一步发展至关重要。针对上述问题,本论文开展了以下两方面研究:(1)针对传统铂碳催化剂铂利用率不高、活性位点暴露不完全、Pt团聚和碳载体的腐蚀造成传质困难等问题,本实验提出了利用双金属沸石咪唑骨架(zeolite imidazole frame,ZIF)中的Co作为介导种子,在氧化石墨烯(graphene oxide,GO)复合沸石咪唑制备的多孔碳载体上制备高分散性、高稳定性活性位点催化剂(Pt Co-NC/r GO-0.1-800),GO提供高比表面积和导电性,ZIF晶碳化后的介孔结构有利于活性位点的均匀分散,从而提高传质效率与催化性能的解决方案。并通过调控Zn:Co比和热还原温度进行了体系优化。对不同Zn:Co比作为前驱体制备的催化剂进行电化学测试的研究结果表明,Zn:Co比为0.1:0.9的Pt Co-NC/r GO-0.1-800催化剂的半波电位最高,达到0.931 V,较不含Zn的Pt Co-NC/r GO-0-800催化剂高出20 m V,较商业20%Pt/C半波电位高出50 m V,质量比活性和面积比活性分别为0.57 A·mg Pt-1和0.58 m A·cm-2,是20%Pt/C的4.4倍和3.4倍。稳定性测试结果表明,Pt Co-NC/r GO-0.1-800催化剂30000圈CV循环后,半波电位仅负移15 m V,而商业20%Pt/C半波电位负移了37 m V,并且前者质量比活性和面积比活性均比后者衰减更少,证实了Pt Co-NC/r GO-0.1-800催化剂具备很好的电化学稳定性。单电池测试结果表明,在阴极Pt载量为0.05 mg·cm-2的氢氧工作条件下,以Pt Co-NC/r GO-0.1-800为阴极催化剂的单电池功率密度可达1.34W·cm-2,高于同载量下20%Pt/C的0.58 W·cm-2。以上结果能够很好地说明该方法所制备的催化剂具有很好的ORR催化活性和稳定性,能够为低铂合金催化剂的制备提供有意义的参考思路。(2)用于PEMFC的非PGM催化剂在酸性环境中面临着ORR活性有限,两电子过程产生羟基自由基甚至双氧水,严重影响催化剂活性和稳定性的问题。本研究设计并合成了基于GO复合ZIF-8的衍生氧化石墨烯基氮掺杂多孔碳基体(graphene oxide-based nitrogen-doped porous carbon,GNPC),在GNPC基础上制备了Fe、N共掺杂多孔碳催化剂,并通过调控Fe与碳基体的质量比以及热活化温度进行了体系优化。与无GO复合的,仅ZIF-8碳化得到的氮掺杂多孔碳颗粒(nitrogen-doped porous carbon,NPC)作为碳基体制备的催化剂和商业的60%Pt/C催化剂相比,经制备参数优化的0.5Fe-GNPC-700催化剂表现出更高的比表面积、ORR活性、稳定性及更有利于传质的孔隙结构。电化学测试结果表明,在0.5M H2SO4溶液中,0.5Fe-GNPC-700催化剂半波电位达到0.818 V,H2O2%低至0.7%,为4e-反应过程,经过5000圈加速耐久性测试,半波电位仅降低22 m V。还原氧化石墨烯和氮掺杂多孔碳为ORR过程提供了高导电性、高比表面积及畅通稳定的孔结构,保障了活性位点催化活性的充分发挥,能够为非PGM商业ORR催化剂的开发提供很好的参考。
其他文献
二氧化钛(钛白)是一种重要的工业原料,因具有物理性质稳定、着色强度好、光学稳定性好等优点,在多个领域具有广泛的应用。工业上制备二氧化钛主要有硫酸法和氯化法两种工艺,氯化法具有工艺流程短、产品质量高等优点,但硫酸法具有生产难度小、设备简单和技术成熟的优点,仍是目前国内大多数钛白公司采用的生产工艺。硫酸氧钛水解制取偏钛酸是硫酸法钛白生产过程的关键步骤之一,对最终钛白产品的粒径、粒径分布等参数都有显著的
近年来,水环境恶化和淡水资源短缺加速了水处理技术的发展。卷式膜组件在水处理技术中最为普遍,因其装填密度高、支撑结构简单等诸多优势而得到广泛应用。其中,作为膜填充通道间“湍流促进剂”的进料隔网,内角处存在流动死区而容易结垢,是造成组件能耗增大、膜寿命缩短等缺陷的主要因素。因此,优化进料隔网的几何结构,是改进卷式膜组件水处理能力的关键难题之一。本文以进料隔网的几何结构为研究对象,基于CFD技术探究了不
吡啶及其同系物作为重要的溶剂和医药前体,广泛应用于生物和医疗领域,在医药以及石油化工生产过程中,吡啶废水排放不仅会污染环境,还会造成资源的浪费。因此,从吡啶废水中回收提纯吡啶及其同系物具有重要的研究价值。然而吡啶废水在常压条件下具有多个共沸组成,导致分离过程极具挑战。本研究开发了一种高效节能的非均相共沸精馏工艺回收工业废液中的吡啶和2-甲基吡啶。工艺开发遵循严格的分层设计策略,包括物性方法选取、共
金属镁(Mg)具有较负的电极电位(-2.37 V vs.NHE)、丰富的储量、较低的成本(1/25倍锂金属)以及突出的体积比容量(3833m Ah cm-3)、安全性和稳定性,可以直接作为负极应用于可充镁电池(RMBs)中。RMBs被认为是最具前途的后锂时代二次电池之一。电解液如同电池的“血液”,对于RMBs的性能具有重要影响。在目前报道的RMBs电解液中,具有大体积、弱配位硼中心阴离子的硼基电解
多糖是三大天然生物聚合物之一,具有良好的生物相容性和可降解性。多糖种类丰富,具有结构和性质上的多样性,为制备新型功能材料和复合型材料提供了分子和生物学上的优势。在能源储蓄、食品包装、药物递送、空气过滤、光电催化等领域中,多糖基材料已经受到了广泛的应用研究。本文构建了三种不同的多糖基功能材料,探讨了它们在电化学手性识别、黄酮类化合物富集和空气过滤领域的应用。主要内容如下:首先,以环糊精、壳聚糖材料构
三甲氧基硅烷是一种重要的硅烷偶联剂,在其生产过程产生大量的甲醇(Methanol,Me OH)和三甲氧基硅烷(Trimethoxysilane,TMS)共沸物,无法用常规方法分离。本文以甲醇和三甲氧基硅烷共沸物的分离为目的,将优化后的双塔萃取精馏分离工艺作为基础流程,在此基础上提出应用蒸汽再压缩式热泵技术来回收利用塔顶蒸汽释放的潜热,以及利用热集成(heat integration,HI)技术来合
磷矿是不可再生资源,是保障粮食安全和高新技术产业发展的重要原料。湿法磷酸生产过程中磷矿的浸出是整个工艺的关键,但传统的浸出工艺存在浸出率低、固废量大等问题。近年来,随着湿法磷酸产业的快速发展,80%以上的磷矿为中低品位难选矿,导致磷矿浸出效率低,每生产1吨磷酸将产生约6吨磷石膏。因此,开发磷矿湿法高效浸出新技术以实现磷矿的充分、高效利用已成为企业界、学术界及社会所关注的焦点。为此,本文基于混沌混合
工业快速发展,环境污染和能源短缺问题急需解决。作为一种绿色储能器件,超级电容器(SCs)近年来得到了迅速发展。采用简便方法合成新型高性能电极材料对于提高超级电容器储能性能意义重大。本研究以镍钴基化合物储能材料为基础合成高性能的正极材料,以α-Fe2O3为基础合成Fe2O3@r GO负极材料,组装成为高性能混合型超级电容器。本文的研究内容和得到的结果如下:(1)采用混合溶剂法合成了椭球状Fe2O3@
我国的钒资源以钒钛磁铁矿为主,而磁铁矿的晶格稳定,通常采用高温氧化焙烧的方式破坏其结构,使得低价钒得以被氧化为高价态可溶性钒。传统焙烧提钒技术主要存在能耗大、成本高等问题。同时,焙烧时熟料的烧结现象严重阻碍了钒的浸出效率,因此,寻找新的低能耗、低成本、高效率的提钒方法已显得十分重要。本文以四川某钢铁厂的转炉钒渣为原料,基于复合焙烧提钒工艺技术,优选出Na2CO3/Mn O2高效复合焙烧添加剂,计算
新能源技术飞速发展,锂离子电池因其能量密度高、质量轻、寿命长、无记忆效应、安全环保等特点受到市场消费者的青睐,已经广泛工业化,成为一种传统化石能源的替代性产品。随着近些年消费类电子产品的发展,尤其是电动汽车产业的快速发展,对锂电池的需求旺盛,对高能量密度锂电池的需求比较迫切。负极材料锂电池的重要组成部分,对电池比容量和比能量有决定性影响。市场上的锂电池负极材料主要是石墨,但它的理论比容量低,无法满